示波器知识百问十一 示波器是如何工作的

55． 示波器如何显示两个采样点之间的波形？ 

答：示波器的显示方式有多种：点显示、正弦内插显示、直线连接显示；示波器的缺省显示方式通常为矢量连接显示方式，有的示波器仅支持直线连接方式；无论是直线连接还是正弦内插，在两个实际采样点之间提供的信息都不是实际采集的，由于直线连接方式可能会导致显示出现突变，如在一正弦波的波峰采集一个点，两边的波谷各采集一点，会显示出三角波，而用正弦内插显示出来仍是正弦波，所以，有些应用文章中的说法是：采用直线连接，对采样率的要求更高，如10倍的关系(以真实再现波形)；采用正弦内插，对采样率要求稍低以下，也有文章说，2.5倍就可以，工程上一般说4倍以上，也有5倍，6倍的说法。 

56． PCB板上的高速信号特征：156.25MHZ差分时钟信号，Rise/Fall Time(20%～80％)<100ps，jitter tolerance(p-p<30ps,RMS<2ps),skew(+ vs.-)<20ps，请问需要多高带宽的示波器才能精确测量？测量误差可达多少？ 

答：对于156.25MHz 差分时钟信号，Rise/Fall Time(20%～80％)<100ps ，若您想精确测试该上升时间，如3%的测试精度，0.4/100ps *1.4 = 5.6GHz 带宽示波器及其探头系统，若10%精度可接受，0.4/100ps*1.2 = 4.8GHz 带宽示波器及其探头系统。注意若您使用差分探头，您要确保，从被测点算起，整个示波器的带宽是5.6GHz, 幸运的是目前安捷伦推出了7GHz带宽的差分探头。同时，54855A本身的上升时间指标实测是65ps , 说明书上给出72ps的指标。jitter tolerance(p-p<30ps,RMS<2ps) , 要精确测量抖动指标，要求示波器本身的抖动指标要更高，54855A本身的触发抖动指标是1ps RMS ,比业界同类产品好7倍，另一相关指标是Delta Time meas. Accuracy (peak) 是± [ (7.0 ps) + (1 x ppm * |reading|) ]，好过同类产品2倍以上，这和它真正使用20GSa/s的A/D有关，它消除了使用多个(10GSa/s A/D 或 5GSa/s A/D) 拼凑成一个20GSa/s所带来的误差。 

57． 在选择示波器时，一般考虑的多的是带宽。那么，在什么情况下要考虑采样速率？ 

答：取决于被测对象，在带宽满足的前提下，希望最小采样间隔(采样率的倒数)能够捕捉到您需要的信号细节。业界有些关于采样速率经验公式，但基本上都是针对示波器带宽得出的，实际应用中，可以不用示波器测相同频率的信号。若您在选型，对正弦波，选择示波器带宽是被测正弦信号频率的3倍，以上，采样率是带宽的4到5倍，实际上是信号的12到15倍，若是其它波形，要保证采样率足以捕获信号细节。若您正在使用示波器，可透过以下方法验证采样率是否够用： 

将波形停下来，放大波形，若发现波形有变化（如某些幅值），采样率就不够，否则无碍。也可用点显示来分析，采样率是否够用。 

58． 100MHz的模拟示波器可以较清楚看到寄生波形，而100MHz的数字示波器却看不到（仅能看到波形加粗）？ 

答：此现象和示波器显示有关，模拟示波器上看到的迹线一般较细，它通过垂直偏转器直接将电压打到屏幕上，而且扫描速率和波形刷新率都很快。数字示波器是通过A/D将波形电压量化，存到内存中，处理之后再显示，数字示波器屏幕的显示分辨率是有限的，通常为640点或1000点，若您将示波器的存储深度(记录长度)设置成10K或2M, 这意味着，要让内存中10K或2M点的信息量通过640个点或1000个点来反映，无论算法有多好，都会带来一定的显示误差，波形加粗的程度和存储深度是相关的，这些问题是数字示波器特有的问题，另外数字示波器缺省显示方式为矢量显示方式，即会在两个采样点之间以线性算法，或正弦内插算法插入一些点，模拟示波器没有这些问题。您可试着将示波器记录长度改为500点，并将矢量显示改为点显示，观察数字示波器每次采样实际得到的数据，调整时基，可以清楚得看到这些点，即使使用矢量显示，线会变细些。仅从仪器角度出发，另外测量小信号，使用1:1得探头得结果，可能会比10:1探头更好些 。另外，模拟示波器没有采样率得概念，只有扫描速率概念，使用数字示波器，采样率很多时候需考虑。 

59． 模拟和数字示波器在观察波形的细部时，那个更有优势（例如：在过零点和峰值时，观察1%以下的寄生波形）？ 

答：观察1%以下的寄生波形，无论是模拟示波器还是数字示波器，观察其精度都不是很好，模拟示波器的垂直精度未必比数字示波器更高，如某500MHz带宽的模拟示波器垂直精度是+/-3%, 并不比数字示波器(通常为1~2%精度)更具优势，而且对细节，数字示波器的自动测量功能比模拟示波器的人工测量更精确。 

60． 数字示波器一般提供在线显示均方根值，它的精度一般是多少？ 

答：示波器的幅值测量精度，很多人用A/D位数来衡量，实际上，随着您所用的示波器带宽，实际的采样率设置等，会有变化，若带宽不够，本身带来的幅值测量误差就很大，若带宽够了，采样设置很高，实际的幅值测量精度就不如采样率低的时候的精度(您有时可参考示波器的用户手册，它可能会给出不同采样率下，示波器的A/D实际有效位数);总的来讲，示波器测量幅值，包括均方根值的精度往往不如万用表，同样，测量频率，它不如频率计数器。  示波器是电气工程师的基础仪器，但我经常发现有些工程师不能有效地使用其触发功能。触发常被认为非常复杂，现在存在这样一种趋势，即如果有任何问题，直接到实验室去求助专家来帮助设置触发。本文的目的在于帮助工程师了解触发的基本原理以及有效使用触发的策略。

什么是触发？

任何示波器的存储器都是有限的，因此所有示波器都必须使用触发。触发是示波器应该发现的用户感兴趣的事件。换句话说，它是用户想要在波形中寻找的东西。触发可以是一个事件（即波形中的问题），但不是所有的触发都是事件。触发实例包括边沿触发、毛刺信号触发和数字码型触发。

示波器必须使用触发的原因在于其存储器的容量有限。例如，Agilent 90000 系列示波器具有 20 亿采样的存储器深度。但是，即便拥有如此大容量的存储器，示波器仍需要一些事件来区分哪 20 亿个采样需要显示给用户。尽管 20 亿的采样听起来似乎非常庞大，但这仍不足以确保示波器存储器能够捕获到感兴趣的事件。

示波器的存储器可视为一个传送带。无论什么时候进行新的采样，采样都会存储到存储器中。存储器存满时，最旧的采样就会被删除，以便保存较新采样。当触发事件发生时，示波器就会捕获足够的采样，以将触发事件存储在存储器要求的位置（通常是在中间），然后将这些数据显示给用户。

重复采样模式与单次采样模式

过去，较为常见的示波器运行模式是重复模式。这意味着一旦示波器触发并将数据显示给用户，它将立即开始搜索下一个触发事件。这就是示波器波形更新如此频繁的原因。

任何一款示波器要想进行触发并将数据显示给用户，都需要时间来重新准备触发。这个时间也称为“挂起时间”。在挂起时间内，示波器不能捕获任何波形。因此，挂起时间越短，错失的事件越少。例如，如果有一个毛刺信号恰巧在挂起时间内出现，那么它将不能在示波器的显示屏上显示。如果这个毛刺信号是一个罕见事件，则用户可能认为波形中没有毛刺信号，而事实上它却是存在的。因此，示波器的挂起时间越短，错失波形中重要事件的几率就越低。

表述此概念的另一种方法是“更新速率”，即每秒钟的波形数量。例如，Agilent 7000 系列示波器具有 100000 波形/秒的更新速率。

单次采样模式用于查找单一触发，而不会继续采集更多波形。因此，当用户想要查找某个事件，检查导致该事件的原因和事件发生后所出现的问题时，便可使用单次采样模式。这种模式对于分析不重复并且每次操作都会发生变化的波形尤其重要。

自动模式与触发模式

如果没有发生触发事件，将会出现什么情况呢？这一个非常好的问题。在这种情况下，屏幕上的波形将不会更新。这不是我们想要的情况，因为用户可能不知道如何改变触发来获得屏幕上的波形。例如，如果探头滑落，示波器将可能停止触发。不过，如果屏幕不能更新，信号丢失将很不明显。

为了解决这个问题，示波器拥有一个称为“自动（Auto）”触发的模式。在此模式下，如果在一段时间内无法找到触发，示波器将自动触发以更新屏幕。通常，示波器上有一些指示器（例如前面板上的 LED）来指示上一个触发是真实触发还是自动触发。这样，如果用户看到“自动（Auto）”指示器，他们就会知道所设置的触发没有发生。例如，如果用户设置的触发为毛刺信号，他们将会知道示波器没有检测出毛刺信号。

然而，当您回顾上一段的内容时就会发现，当自动触发发生时，它就意味着每次触发之后，示波器进行重新准备时具有挂起时间。为了完全避免这一时间，示波器应改为“触发（triggered）”模式。（这在某些示波器中称为“正常”模式）。在“触发（triggered）”模式中，除非发现触发事件，否则示波器将不会进行触发。因此，如果用户将触发模式设置为毛刺信号并且示波器一直没有进行触发，那么用户就可以确信毛刺信号没有发生（至少示波器能够检测出）。